Нормирование кратности воздухообмена и концентрация со2. Охрана труда: правила и нормы окружающей среды для офисных помещений

15.08.2016

Влияние углекислого газа (СО 2) на организм человека уже достаточно давно и хорошо изучено многими отечественными и зарубежными экспертами. Это относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха . Углекислый газ, как уже было сказано, сам по себе безвреден, но в концентрациях от 7 % может нанести ущерб здоровью человека в виде удушья. При этом стоит отметить, что он не имеет накопительного эффекта, и все симптомы быстро проходят при снижении его концентрации.

Концентрация СО 2 в пределах от 0,1 % оказывает отрицательное влияние на самочувствие человека. Считается, что содержание углекислого газа от 0,04 до 0,07 %- это свежий воздух; от 0,07 до 0,1 % - спертый воздух, но такая концентрация еще допустима; более 0,1 % - резко снижает работоспособность организма. При этом стоит отметить, что изменение концентрации кислорода в воздухе может изменяться в более широких пределах от 19 до 21 %, не оказывая влияния на самочувствие здорового человека. ASHRAE установило приемлемое значение содержания углекислого газа в помещениях с пребыванием людей: на уровне до 1 000 ppm или 0,1 % от объема (об.). Многие международные и отечественные авторы при расчетах воздухообмена опираются именно на эту величину .

В Европейском стандарте 2004 года воздух в помещениях с пребыванием людей разделяется на категории качества от IDA 4 – низкое, IDA 2 и 3 – среднее, до IDA 1 – высокое. Предполагается несколько способов определения категории качества. В таблице 1 приведен пример одной из оценок по превышению уровня СО 2 , как индикатора, в воздухе помещений над наружным воздухом (табл.1) .

Таблица 1.

	Превышение уровня СО 2 в помещении над его содержанием в наружном воздухе, ppm
Категория помещения	Типичный диапазон	Задаваемое значение
IDA 1	<400	350
IDA 2	400–600	500
IDA 3	600–1 000	800
IDA 4	≥1000	1 200

Системы механической вентиляции, где диктующим условием было содержание СО 2 в обслуживаемом помещении, хорошо проработаны и описаны различными экспертами. Системы естественной вентиляции в старом фонде рассчитаны на неорганизованный приток воздуха через неплотности ограждающих конструкций и инфильтрации оконных проемов. При этом стоит отметить, что повсеместная замена старых окон на стеклопакеты привела к резкому изменению баланса приточного воздуха. В современных зданиях предусматривается приточный клапан в стене, но его конструкция не всегда является удачной, и жители иногда его удаляют.

Информации по фактическим показателям содержания СО 2 в воздухе офисных помещений или жилом фонде в свободном доступе почти нет. С этой целью был проведен ряд экспериментов, изначально не претендующих на полное освещение проблемы. Измерения имеют ознакомительный характер для специалистов ОВиК, но в то же время отражают основные моменты проблематики.

Эксперименты проводились в жилом доме хрущевской пятиэтажной постройки. Ограждающие конструкции выполнены из кирпича. Квартиры двухкомнатные смежной конструкции с общей площадью 43 м 2 ; количество жителей от 1 до 3. Квартиры оборудованы системами естественной вентиляции и дымоходами газовых водогрейных колонок.

Рассматривались квартиры вторых и третьих этажей как наиболее характерные. Все квартиры, в которых проводились измерения - с заменёнными окнами и стеклопакетами, оборудованными откидными створками окон для проветривания. В комнатах с балконами находилась откидная дверь.

Измерения проводились в центре помещения на уровне спального места и уровне головы местах отдыха сидя. Прибор находился на высоте от 600 до 1000 мм.

Все растения, для исключения их влияния, были удалены из помещения. Также для исключения влияния концентрационного выхлопа от человека регистраторы находились в 1 метре от человека.

Эксперимент проводился летом, по суткам:

для полностью закрытых окон;

открытых в помещении, где находится человек;

открытых в смежном помещении.

Для эксперимента был использован прибор CO 2 Carbon Dioxide Hygrometer Thermometer Data Logger Humidity Air Temp. Meter. При помощи этого прибора проводились измерения уровня СО 2 в жилом помещении, а также запись данных за периоды измерений.

На рисунке 1 представлено изменение концентрации СО 2 в двухкомнатной квартире с полностью закрытыми окнами и одним человеком с 20:00 до 09:00 утра.

На рисунке 1 концентрация представлена в промилле, регистрация с 5 мин интервалом.

С начала измерений наблюдаются колебания, а затем постепенный рост концентрации CO 2 в жилом помещении. Максимальное содержание углекислого газа (1210 ррм) зафиксировано около 5 часов утра, после чего происходит некоторая стабилизация. Стоит отметить, что условия на протяжении всего измерения не менялись. Из чего следует, что при неизменных условиях в непроветриваемом помещении концентрация СО 2 увеличивается до определенного уровня и стабилизируется.

При постоянном принудительном проветривании бытовым вентилятором производительностью 170 м 3 /час концентрации СО 2 в воздухе помещения колеблется от 400 до 550 ррм в течение суток. Рассмотрим более подробно режим проветривания.

На рисунке 2 представлен режим проветривания с периодом записи в 5 минут.

Рис.2 Изменение концентрации СО 2 в квартире в режиме проветривания с периодом записи в 5 минут, где ось Оу – уровень концентрации СО 2 в ррм, а ось Ох – время проведения эксперимента.

При открытой откидной створке окна в первые пять минут проветривания наблюдается быстрое снижение уровня СО 2 с 1210 до 900 ррм. Затем спад происходит плавнее и достигает своего минимального значения (500 ррм) через 55 минут после начала проветривания.

Для большей детализации была проведена запись с минутной регистрацией в режиме накопления и проветривания (рисунок 3).

Рис.3 Изменение концентрации СО 2 в квартире с минутной регистрацией, где ось Оу – уровень концентрации СО 2 в ррм, а ось Ох – время проведения эксперимента.

В 23:20 были закрыты все окна, в 03:30 была открыта откидная створка окна для проветривания, в 6:00 - оставлено на микро проветривании. С 3:45 началось снижение концентрации СО 2 с некоторой задержкой (достигла рекомендуемых 500 ррм значений в 04:53). При этом снижение показателя до 700ррм произошло менее чем за 10 минут. В утренние и дневные часы уровень СО 2 в помещении практически не колебался. Вечерний пик (с 15:00 до 16:00) показателя концентрации СО 2 обусловлен включением газовой колонки и приготовлением пищи, в 16:02 было полностью открыто окно на проветривание. Температура в помещении при этом колебалась от 22,5 до 26,3 С°. Влажность составляла от 41,7 до 63,9 %.

Измерения проводились при микропроветривании помещения на протяжении всего эксперимента. По графику, представленному на рисунке 4 видно, что нарастание уровня СО 2 наблюдается в ночные часы (с 0:40 до 3:40). После достижения максимального значения показателя – 820 ррм, начинается спад концентрации углекислого газа в помещении. Достигнув уровня 480 ррм, наблюдается стабилизация показателя. Стоит отметить, что максимальные значения концентрации СО 2 при микропроветривании в ночные часы все же ниже, чем при аналогичном измерении уровня СО 2 в отсутствии проветривания (разница в значениях составляет приблизительно 400 ррм).

Рис.5 Изменение концентрации СО 2 в квартире при микропроветривании помещения, где ось Оу – уровень концентрации СО 2 в ррм, а ось Ох – время проведения эксперимента.

На рисунке 5 показаны данные по содержанию СО 2 в помещении с микропроветриванием и одним человеком в этом помещении. Эксперимент производился с 1:51 до 12:46. Концентрация углекислого газа на протяжении всего измерительного периода практически не изменяется. Влажность за период эксперимента в помещении составляла 54-57 %, разница между внутренней и наружной температурой - не более 5° С. В помещении температура колебалась от 23,6 до 24,5° С.

По результатам проведенных экспериментов можно сделать следующие выводы:

Концентрация углекислого газа в жилом помещении при рассматриваемых размерах постройки и созданных для эксперимента условиях нарастает не до бесконечности, а максимальных значений уровень СО 2 достигает в непроветриваемых помещениях.

Нарастание СО 2 во времени не линейно по экспоненте, падение СО 2 также не линейно.

Полное проветривание без принудительной вентиляции происходит более чем за час, проветривание до приемлемого уровня - за 10 минут. При этом увеличение концентрации СО 2 в жилом помещении после полного проветривания происходит за три и более часов.

Проветривание жилого помещения час через три способно поддерживать уровень СО 2 в воздухе на приемлем уровне.

Список литературы:

ГОСТ 8050-85. Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия.

Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

D. S. Robertson. The rise in the atmospheric concentration of carbondioxide and the effects on human health. Med. Hypotheses, 2001, 56.

Статью подготовил:
Попов Михаил Иванович - кандидат технических наук. Заведующий кафедрой «Производство и эксплуатация систем теплогазоснабжения и вентиляции» в СПбГАСУ.

27.05.2011

Источник: журнал «С-О-К». Гурин И.В.

Современный человек почти 90% времени находится в помещении. Малышей мамы отправляют в детский сад, где группы часто бывают переполнены, школьники и студенты сидят в классах по 40 человек и больше, а взрослые проводят на рабочих местах гораздо дольше положенных восьми часов в день. Когда вы входите в помещение, где много людей, то практически всегда чувствуете, что там тяжелее дышится, чем снаружи. Хочется сказать «не хватает кислорода», Это неверно — кислорода все еще более чем достаточно, но в помещении повысилась концентрация углекислого газа. Что происходит при этом с нашим организмом? Насколько это вредно? Современные исследования доказывают, что повышенное содержание СО2 во вдыхаемом воздухе отрицательно влияет на кровь, слизистые оболочки, дыхательную и мочевыводящую системы, костную ткань, иммунитет и умственную деятельность человека.

Цифры

Лучше всего дышится на природе. В чистом загородном воздухе 380-400 ррm углекислого газа, т.е. 0,038-0,04%. Эти концентрации оптимальны для дыхания человека. Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе за последние 50 лет увеличилось на 20% и постоянно продолжает расти — особенно в крупных городах за счет выхлопов автомобилей и промышленных выбросов. Сегодня уровень СО2 в воздухе большого города может быть 600 ррm (0,06%) и выше. Не будем подробно обсуждать атмосферу: для нас важно, что при этом происходит в помещениях, где мы проводим почти все время. Закрытые помещения — своего рода ловушки СО2. Воздух с уже повышенным или даже нормальным содержанием углекислого газа поступает через окна и вентиляцию, а потом его концентрация начинает быстро расти из-за дыхания людей, которые находятся в здании. Здесь есть отягчающие обстоятельства: принудительной вентиляции может вообще не быть или она работает плохо, а естественная не работает, поскольку пластиковые окна не пропускают воздух и они закрыты, чтобы никто не простудился.

В закрытом помещении уровень углекислого газа повышается гораздо быстрее, чем убывает кислород. Замеры показывают, что, даже когда в школьном классе уровень СО2 достигает 1000 ррm (0,1%), содержание кислорода практически не меняется. Конечно, увеличение углекислого газа зависит от количества людей в этом помещении, от их веса и того, что они при этом делают. В тренажерном зале станет душно гораздо быстрее, чем в офисе (табл. 1).

Исследователи знают, что существует связь между концентрацией СО2 и ощущением духоты. Человек начинает ощущать симптомы «нехватки свежего воздуха» (а на самом деле повышенной концентрации углекислого газа) уже при его уровне 0,08%, т.е. 800 ррm. Впрочем, в современных офисах бывает и 2000 ррm СО2 и выше. Но об этом чуть позже.

Выдыхаемое человеком количество углекислого газа

Таблица 1

Что такое ацидоз и чем он плох

В норме кислотность рН крови человека равна примерно 7,4. Наш организм настроен на эту цифру, она необходима для работы всех ферментных и биологических систем организма. Логично предположить, что даже небольшие постоянные изменения кислотности крови могут оказывать очень сильное воздействие на живое существо.

Что происходит при повышении концентрации СО2 в воздухе, который попадает в организм? Увеличивается парциальное давление СО2 в наших альвеолах, его растворимость в крови повышается, и образуется слабая угольная кислота (СО2 + Н2O = Н2СО3), распадающаяся, в свою очередь, на Н+ и НССО3-. Кровь закисляется, что по-научному и называется ацидозом. Чем выше концентрация СО2 в воздухе, которым мы постоянно дышим, тем ниже рН крови и тем более кислую реакцию она имеет (рис. 1).

Минимальные физиологические последствия ацидоза — перевозбуждение, учащенное сердцебиение и умеренное повышение давления. При более сильном ацидозе человек становится вялым, сонливым, ощущает беспокойство. Но все это происходит уже при концентрациях углекислого газа, типичных для современных помещений, где много народа. Впрочем, когда человек надолго выходит на свежий воздух, его состояние постепенно приходит в норму.

А если всю жизнь дышать воздухом, в котором много углекислого газа, ежедневно, по 20 ч и больше? При ацидозе происходят биохимические изменения в организме, если же он хронический, то, видимо, они в какой-то момент могут стать необратимыми. В какой именно — ученым еще предстоит выяснить. За постоянство концентрации ионов водорода внутри организма отвечают его буферные системы. В частности, большую роль здесь играют почки, которые выводят избыток ненужных веществ. В организме также есть неорганические буферы. Одни из самых важных — это бикарбонат (НСО-3) и фосфаты. Есть и другие, органические, например гемоглобин и белки плазмы. Но все же 53% общей буферной емкости крови приходится на систему «бикарбонат- СО2» (содержание бикарбоната в плазме — 24 ммоль/л).

Когда начинается ацидоз, то сначала организм защищается, повышая концентрацию бикарбоната в плазме крови, — об этом свидетельствуют многочисленные биохимические исследования. Чтобы компенсировать ацидоз, почки усиленно выделяют Н+ и задерживают НССО3-. Собственно говоря, концентрация СО2, при которой начинается повышение бикарбоната в крови, могла бы стать одной из научно обоснованных норм для допустимого содержания углекислого газа в помещениях. Потом включаются другие буферные системы, и вторичные биохимические реакции организма гораздо сложнее (подробно углубляться в них не будем, механизм довольно сложный). Поскольку слабые кислоты, в т.ч. и угольная (Н2СО3), могут образовывать с ионами металлов слаборастворимые соединения (СаСО3), то они откладываются в виде камней, прежде всего в почках. К счастью, человек проводит в душном помещении не все время, поэтому этот процесс носит обратимый характер — через какое-то время после выхода на свежий воздух карбонат кальция должен раствориться.

Сотрудник медицинской научно-исследовательской лаборатории военно-морского подводного флота США Карл Шафер исследовал, как влияют различные концентрации углекислого газа на морских свинок. Грызунов восемь недель содержали при 0,5% СO2 (кислород был в норме — 21%), после чего у них наблюдалась значительная кальцификация почек. Она отмечалась даже после длительного воздействия на морских свинок меньших концентраций — 0,3% СО2 (3000 ррm). Но это еще не все. Шафер и его коллеги нашли у свинок через восемь недель воздействия 1%-го СO2 деминерализацию костей, а также структурные изменения в легких. Исследователи расценили эти заболевания как адаптацию организма к хроническому воздействию СO2. Если ученые давали подопытным животным достаточно времени для восстановления (больше месяца), то эти признаки исчезали. Впрочем, исследователи сами говорят о том, что нужны дальнейшие эксперименты, чтобы установить, как повлияют на состояние млекопитающих более низкие концентрации углекислого газа и когда же изменения в их организмах станут необратимыми.

Прочие эффекты и синдром больного здания

Исследования ученых не ограничиваются ацидозом. Обследование 344 сотрудников 86 офисов города Тайбэй (Тайвань) показало, что уже при уровне СO2 выше 800 ррт (0,08%) у них отмечался рост маркеров окислительного стресса, например, 8-OHdG (8-гидрокси-2-де-зокси-гуанозина), определяемого в моче. Содержание маркеров тем выше, чем дольше человек находится в душном помещении. Так же действуют на организм человека летучие органические соединения, причем они и углекислый газ усиливают негативное влияние друг друга.

Ученые ЕС проверили самочувствие школьников в помещении с концентрацией углекислоты > 1000 ррm, или 0,1%. (Таких классов на Западе почти две трети, причем во вполне благополучных странах — в Швеции, Норвегии, Дании и Франции.) В медико-биологических тестах оценивали респираторное и аллергическое состояние 547 школьников в возрасте от 9 до 10 лет. Оказалось, что дети, проводящие много времени в помещении с высоким уровнем СO2 , в 3,5 раза чаще имеют сухой кашель и в два раза больше болеют ринитом.

Корейские ученые также исследовали влияние СO2 на астматиков. Выборка — 181 ребенок моложе 14 лет из 110 домов и квартир Сеула. В помещениях замеряли уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха: СО, NO, аллергены клещей домашней пыли, тараканов, споры грибков плесени и СO2. Ученые сделали вывод, что только повышенные концентрации СO2 учащали приступы астмы у детей. Кстати, респираторные инфекции и астма считаются основными заболеваниями школьников.

Если мы вспомним первичные признаки ацидоза, то поймем, почему вялые и сонливые школьники плохо воспринимают новый материал.

Проблема повышенного уровня СO2 характерна и для детских садов, причем особенно для спален. К счастью, у школьников каждые 45 минут бывает перемена, на время которой их выгоняют из класса, а тихий час с закрытыми окнами помещения — не очень длинный.

Куда же деться взрослым? Во многих учреждениях очень плохо работает принудительная вентиляция — именно здесь причина зашкаливания СO2. Мы уже говорили, что пластиковые окна хорошо изолируют тепло и звук, однако начисто лишают помещение естественной вентиляции, превращая его в большой целлофановый пакет. Уровень углекислого газа в таком «пакете» очень быстро нарастает.

Есть здания, которые в специальной литературе называют больными, а люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ). У синдрома много проявлений: раздражение слизистых оболочек, сухой кашель, головная боль, снижение работоспособности, воспаление глаз, заложенность носа, сложности с концентрацией внимания. Эта проблема знакома жителям ЕЭС, США, Канады и многих других стран. Некоторые исследователи считают, что именно углекислый газ — одна из главных причин развития СБЗ и этот синдром появляется уже при его уровне свыше 800-1000 ррm. Почему решили, что виновник — углекислый газ? Потому, что когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ррm (0,08%), то и симптомы СБЗ становились слабее. Кроме того, уровень примесей, которые могли бы вызвать подобные симптомы, растет значительно медленнее, чем уровень СO2, поскольку люди постоянно выдыхают его.

О синдроме больного здания заговорили после того, как появились дома с хорошей теплоизоляцией и наглухо закрытыми окнами, а также с низким уровнем вентиляции из-за экономии электроэнергии. Конечно, причинами СБЗ могут быть и выделения строительных и отделочных материалов, вещества, которые выделяет человеческое тело, споры плесени и т.д. Если вентиляция в помещении работает плохо, то, безусловно, концентрация этих веществ в помещении также будет расти, но медленнее, чем СO2 . Углекислый газ выступает как тонкий индикатор — он говорит о том, что уровень вентиляции недостаточен, а значит, вырастет концентрация и других загрязняющих веществ.

Специалисты Мидлсекского университета (Великобритания), проведя тщательное исследование с участием 300 человек, вынесли вердикт: уровень углекислого газа в офисе не должен превышать 600-800 ррm (0,06-0,08%). Если он выше, то внимание снижается на 30%. При концентрациях СO2 более 1500 ррm 79% опрошенных испытывали чувство усталости, а более 2000 ррm — две трети испытуемых не могли сосредоточиться. У 97% сотрудников, страдающих мигренью, она появлялась уже при уровне углекислого газа 1000 ррm (0,1%).

Ученый из Великобритании Д.С. Робертсон считает, что люди начинают чувствовать ухудшение качества воздуха уже при концентрации СO2 600 ррm, а не при 800, как говорилось в начале статьи. Когда она становится еще выше, у отдельных людей появляется один или несколько классических симптомов отравления углекислотой — проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, потливость, усталость, физиологические расстройства, и все они растут прямо пропорционально уровню СO2 (табл. 2, рис. 2). По другим данным, у 15-33% людей эти симптомы возникают при концентрации СO2 600-800 ррm, у 33-50% — при 800-1000 ррm, и 100% будут испытывать их при концентрации 1500 ррm. Расчетная модель говорит, что для того, чтобы поддерживать в помещении СO2 в пределах 600 ррm, в него должно принудительной вентиляцией подаваться воздуха 68 м 3 /ч на одного человека.

Как количество углекислого газа в воздухе влияет на человека

Таблица 2

Уровень СO2, ррm	Физиологические проявления
Атмосферный воздух 380-400	Идеальный для здоровья и хорошего самочувствия
400-600	Нормальное количество воздуха. Рекомендовано для детских комнат, спален, офисных помещений, школ и детских садов
600-1000	Появляются жалобы на качество воздуха. У людей, страдающих астмой, могут учащаться приступы
Выше 1000	Общий дискомфорт, слабость, головная боль, концентрация внимания падает на треть, растёт число ошибок в работе. Может привести к негативным изменениям в крови, также могут появиться проблемы с дыхательной и кровеносной системой
Выше 2000	Количество ошибок в работе сильно возрастает, 70% сотрудников не могут сосредоточиться на работе.

Как же понять, что это влияние именно СO2, а не других ядовитых продуктов, образующихся в процессе жизнедеятельности человека (в т.ч. ацетон, аммиак, амины, фенолы)? В Будапештском университете технологии и экономики разработали специальную методику, позволяющую свести к минимуму уровень загрязнения другими веществами. Подтвердилось, что виноват именно СO2. В исследовании приняли участие молодые и здоровые люди, средний возраст которых составлял 21 год, и, несмотря на то, что эксперименты продолжались не дольше 140-210 минут (концентрации доходили до 3000 ррm), чувствовали они себя откровенно неважно. Что же говорить о сотрудниках, которые находятся в офисах по восемь-девять часов ежедневно многие месяцы и годы.

В начале 2009 г. сотрудники Национальной лаборатории Лоренса Беркли (США) пытались понять, как углекислый газ в концентрациях 550,1000 и 2500 ррm влияет на умственную деятельность и здоровье человека. Методика эксперимента была аналогична той, которую использовали венгерские ученые, однако добровольцы, участвующие в данном эксперименте, находились при заданных уровнях СO2 ежедневно по восемь часов в течение трех месяцев. Полученные данные пока еще обрабатываются, но оптимизм внушает тот факт, что наконец-то появился четкий стандарт эксперимента.

Вот еще один важный момент: сегодня уровень концентрации СO2 в помещении служит основным показателем качества воздуха. Он выступает как газ-индикатор, по которому можно судить не только о других загрязнителях, но и о том, насколько хорошо работает вентиляционная система в здании.

Исследования в школьном классе показали, что если в воздухе присутствуют, кроме углекислого газа, летучие органические соединения и формальдегиды, то достаточно следить только за СO2. Если вентиляция справляется с ним, то остальные загрязнители также остаются на низком уровне. Более того, по СO2 можно судить и о количестве бактерий в воздухе. Чем больше углекислого газа, тем хуже справляется вентиляция и тем больше в воздухе разных бактерий и грибков. Особенно отчетливо это заметно зимой, когда интенсивность вентиляции падает, а количество респираторных инфекций растет.

Скрытая проблема

Проблема углекислого газа в помещении существует во всех странах, но в России ее вроде как и нет. Строят новые здания, часто с применением современных «зеленых» технологий, старые здания мо-дернизируют, ставят новые окна. А людям некомфортно, и население больших городов более слабое и больше болеет. Врачи лечат последствия, грешат на общее загрязнение атмосферы, а жесткие нормы на содержание в помещениях углекислого газа в России отсутствуют.

За последние несколько десятилетий практически не появлялись и российские исследования на эту тему. Между тем отдельные замеры в офисах Москвы показали, что в некоторых из них уровень СO2 — 2000 ррm и выше. В 1960-х гг. прошлого столетия О.В. Елисеева в своей диссертации провела детальные ис-следования по обоснованию ПДК СO2 в воздухе жилых и общественных зданий. Она проверила, как влияет углекислый газ в концентрациях 0,1% (1000 ррm) и 0,5% (5000 ррm) на организм человека, и пришла к выводу, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в этих концентрациях вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращении и электрической активности головного мозга. Согласно ее рекомендациям, содержание СO2 в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 0,1% (1000 ррm), а среднее содержание СO2 должно быть около 0,05% (500 ррm). Несмотря на то, что даже кратковременное воздействие вызывало нежелательный эффект, ни ПДК, ни какие-либо другие нормативы по углекислому газу в то время в СССР не были приняты. Нет подобных норм для учебных, офисных и жилых помещений в СНиП и СанПиН.

В странах Европы, США и Канаде, как правило, нормой считается 1000 ррm (0,1%). Именно в соответствии с этими цифрами рассчитывается вентиляция зданий. Во многих школах проводится мониторинг качества воздуха по уровню углекислого газа. Конечно, не всегда и не везде этот уровень соответствует норме. Но в этом случае администрация школ обязана принять меры, чтобы улучшить положение. В Финляндии, например, школу, в классах которой обнаружен повышенный уровень углекислого газа, могут даже закрыть до тех пор, пока не будет налажена вентиляция.

Вообще, на Западе тема качества воздуха в помещении довольно популярна. Ежегодно проводятся конференции по теме «Здоровое здание» и тема вентиляции там поднимается постоянно. Кстати, о вентиляционных системах. С одной стороны, в современном мире все стараются экономить электроэнергию, с другой — нужно поддерживать хороший воздухообмен, а для этого требуется большое количество электрической энергии. В Финляндии ученые предложили удалять углекислый газ с помощью абсорберов, встроенных в вентиляционные системы. Итак, возможно, удастся добиться разумного баланса между экономией электроэнергии и безопасным уровнем углекислого газа в помещениях. Такие бытовые абсорберы углекислого газа для помещений уже существуют, было бы желание их применить.

В последние годы в США и в Европе появляются проекты так называемых «зеленых» зданий. Они построены из экологически чистых материалов и должны потреблять как можно меньше электроэнергии или обеспечивать ею себя сами. Все бы хорошо, но это неизбежно приводит к экономии именно на вен-тиляции. В декабре 2008 г. английская газета Daily Mail рассказала о том, как проф. Дерек Клементс-Крум исследовал несколько школ, пытавшихся воплотить в жизнь идею экологичного здания с минимальным потреблением энергии. В этих школах профессор зафиксировал очень высокий уровень СO2 в классах. В результате у детей был заторможен мыслительный процесс, они были вялыми и не могли нормально учиться.

Появилась информация о том, что на северо-востоке Москвы также будет построен первый «зеленый» высотный административно-жилой комплекс «Кристалл» (187 тыс. м 2). Если учесть, что проблема углекислого газа в помещении в России незнакома, то за здоровье людей в этом здании можно опасаться.

В наших школьных классах принудительная вентиляция практически отсутствует. Учителя должны делать «сквозное проветривание» класса во время перемены. Правда, зимой холодно, и это невозможно. Да и после проветривания уровень углекислого газа быстро вырастает в несколько раз, поэтому уже к середине урока дети не могут сосредоточиться. В современных офисных зданиях вентиляция есть, но зачастую при постройке здания рассчитывают на одно количество работников, а потом их оказывается гораздо больше. Кстати, если на улице СO2 станет в какой-то момент очень много, то мы не сможем обойтись еще и без абсорберов углекислого газа.

В последние годы появились точные инфракрасные сенсоры для замера уровня углекислого газа в помещениях. Они входят в состав газоанализаторов и показывают концентрацию углекислого газа в режиме реального времени, поэтому их удобно ставить в жилых и общественных помещениях, школах и детских садах. Однако для того, чтобы от этих измерений была польза, нужны четкие нормы по уровню углекислого газа в помещениях. А их у нас пока нет.

Нормативы содержания углекислого газа

Углекислый газ- нормативы у нас и в Европе.

В журнале «АВОК», № 4, 2008, была опубликована статья Ю. Д. Губернского и Е. О. Шилькрота «Сколько воздуха нужно человеку для комфорта?», которая вызвала большой интерес у специалистов. Представленный в статье материал показывает, что хотя проблеме нормирования воздухообмена по СО2 уделяется много внимания, материала для решения этого вопроса пока не достаточно. Данная статья предлагает продолжить обсуждение этой проблеммы.

Еще несколько лет назад в отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена. В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции. Высокие концентрации углекислого и других газов в наружном воздухе больших городов приводят к необходимости выбора: либо интенсифицировать воздухообмен, вызывая цепную реакцию увеличения потребления энергоресурсов путем сжигания органического топлива с дополнительным загрязнением атмосферы (в том числе СО2), либо производить очистку приточного воздуха от газов. Это соответствует последним исследованиям ученых о вреде двуокиси углерода для здоровья людей при повышении концентрации в два–три раза по сравнению с чистым атмосферным воздухом.

По данным современной медицины, в составе метаболических (жизнедеятельностных) выделений организма человека выявлено несколько сотен химических соединений, из которых более двухсот веществ – с поверхности кожи и свыше ста – с выдыхаемым воздухом. Одним из наиболее интересных веществ является углекислый газ. Это относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха. По данным большинства источников, его концентрация составляет примерно 0,03 % от объема (об.), то есть в 1 м3 содержится 0,3 л, или 0,3/22,4 = 0,01339 моль (по данным БСЭ – 0,0314 % об.). Зная молекулярную массу диоксида азота 44 г/моль, легко определить его массу в 1 м3, а именно: 44 х 0,01339 = 0,589 г. Концентрация, соответственно, равна 589 мг/м3. В таких количествах углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. По ГОСТ 8050-85 «Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия» плотность газообразной двуокиси углерода составляет 1,839 кг/м3, то есть примерно в 1,5 раза больше воздуха. В таблице 1 приведены формулы перевода величин из одних единиц в другие. Как в отечественных нормативных документах, так и в зарубежных отсутствует норматив предельно допустимой концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. Очевидно, что содержание в воздухе СО2 будет различным в сельской местности, небольших и крупных городах. Фоновые концентрации определяются выбросами автотранспорта, сжиганием топлива на предприятиях теплоэнергетики и работой промышленных предприятий. Затруднение заключается в том, что мониторинг за уровнем СО2 службами Центра по гидрометеорологии не ведется. За рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, является типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету при оценке наружного воздуха для проектирования систем вентиляции и кондиционирования. Европейский стандарт ЕН 13779 «Ventilation for non-residential buildings – Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems» в качестве общего базового руководства предлагает принимать концентрацию углекислого газа в сельской местности 350 ppm, в небольших городах 400 ppm, в центрах городов 450 ppm. На самом деле она может быть существенно выше. Например, измерения в центре Москвы в безветренную погоду в конце лета в районе Садового кольца показали, что при достаточно интенсивном движении транспорта уровень СО2 поднимался до 900 ppm (0,09 % об.). Погуляв несколько часов эту концентрацию и без приборов ощутит на себе каждый в виде головной боли.Таблица 1

Единицы измерения концентраций газов и их
взаимный пересчет

Сх мг/м3 % (об.) ppm,
см3/м3

(частей на миллион)

мг/м3 1 8312,6 10-4СаТ / М Р 8312,6 СаТ / М Р

% (об.) 0,12 101Са
М Р/Т 1 104 Са

(частей на миллион) 0,12 10-3Са М Р / Т 10-4
Са 1

Примечание:

Са
– числовое значение концентрации в заданных единицах;

Сх
– числовое значение концентрации в искомых единицах;

М
– молекулярная масса газа;

Р
– общее давление газовой смеси, Па;

Т
– температура, °К.

Одним из способов, широко применяемых на Западе, для определения требуемой интенсивности воздухообмена в общественных зданиях, является использование углекислого газа в качестве индикатора качества воздуха. По его концентрации судят о содержании других веществ, выделяемых человеком, которых в относительных концентрациях (отношение фактической концентрации к ПДК) образуется меньше. При снижении уровня СО2 разбавлением приточным воздухом одновременно снижается уровень концентрации других веществ. Углекислый газ выбран из-за того, что его концентрацию легко измерить с достаточно высокой точностью и его массовое выделение значительно больше других вредных веществ.

Общеизвестно, что один человек в спокойном состоянии, например работник офиса, за один час потребляет 20–30 л кислорода с выделением 18–25 л углекислого газа, а при занятиях в фитнес- и тренажерных залах – до 36 л и более. Если во вдыхаемом воздухе содержится 0,03 % (об.) СО2, то в выдыхаемом – 3,6 % (об.), то есть возрастает более чем в 100 раз. Интенсивно выделяется углекислый газ от газовой плиты при приготовлении пищи. При возрастании содержания в воздухе значения CO2 выше определенной величины человек начинает чувствовать себя дискомфортно, может впадать в дремотное состояние, возникают головные боли, тошнота, чувство удушья. Его влияние настолько постепенное и слабое, что его трудно сразу обнаружить. Этот предел индивидуален для различных людей – мужчин и женщин, детей. Однако до недавнего времени в отечественных документах отсутствовал норматив качества воздуха помещений для углекислого газа. Лишь гигиеническими нормативами в 2006 году введена максимально разовая ПДК равная 13 790 ppm (27 000 мг/м3) и среднесменная 4 597 ppm (9 000 мг/м3) для воздуха рабочей зоны производственных помещений. Для сравнения: в США эти цифры составляют 30 000 ppm (58 740 мг/м3) и 5 000 ppm (9 790 мг/м3), соответственно. В шахтах на рабочих местах допускается концентрация 0,5 % (об.) или 5 000 ppm. В соответствии с ГОСТ 8050-85 «При концентрациях более 5 % двуокись углерода оказывает вредное влияние на здоровье человека… При этом снижается объемная доля кислорода в воздухе, что может вызвать явление кислородной недостаточности и удушья». Напомним, что максимально разовая и среднесменная концентрация ПДК воздуха рабочей зоны определяются ГОСТ 12.1.005-88 и гигиеническими нормативами ГН 2.2.5.1313-03, ГН 2.2.5.1314-03.

Для помещений жилых и общественных зданий этот норматив по-прежнему отсутствует. Коллизия возникает в связи с тем, что в соответствии со СНиП 41-01-2003 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» , СанПиН 2.1.2.1002-00 «Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям» и др. для этих помещений норматив качества принимается равным для воздуха населенных мест (ГН 2.1.6.1338-03; ГН 2.1.6.1339-03), который, как отмечалось выше, отсутствует. Однако, в отличие от многих других загрязняющих веществ, практически не выделяющихся в помещениях, содержание двуокиси углерода интенсивно увеличивается. Интересно, что еще в справочнике Р. В. Щекина 1976 года приводится расчет требуемого воздухообмена на разбавление СО2 одним человеком.

Европейский стандарт 2004 года предлагает разделять воздух в помещениях с пребыванием людей на категории качества от IDA 4 – низкое, IDA 2 и 3 – среднее, до IDA 1 – высокое. Предполагается несколько способов определения категории качества. Один из них оценивает превышение уровня СО2, как индикатора, в воздухе помещений над наружным воздухом (табл. 2).Таблица 2

Типичный диапазон Задаваемое значение

IDA 2 400–600 500

IDA 3 600–1
000 800

IDA 4 ?1000 1 200

Зная местонахождение здания (сельская местность, город) и уровень концентрации СО2 в наружном воздухе легко определить его расчетное содержание в воздухе помещения. Далее приводятся рекомендации по установке определенных классов фильтров, как правило, не менее двух ступеней, для достижения необходимой чистоты воздуха в соответствии с требуемой категорией качества IDA. Это касается не только твердых пылевых частиц, но и основных газов: NOx, SO2, полициклических ароматических углеводородов и летучих органических соединений. Стандарт гласит: «В городской среде рекомендуется использование молекулярных (газовых) фильтров». Отметим, что по представлению ассоциации АСИНКОМ европейский стандарт принят без изменений как отечественный ГОСТ Р ЕН 13779-2007 «Вентиляция в нежилых зданиях. Технические требования к вентиляции и кондиционированию». ФГУП СТАНДАРТИНФОРМ объявило о том, что он вводится в действие с 1 октября 2008 года.

Допустимое приемлемое значение содержания углекислого газа в помещениях с пребыванием людей было установлено гигиенистами и принято, например, стандартом ASHRAE 62-1989 на уровне 1 000 ppm (1 958 мг/м3) или 0,1 % (об.). На эту величину опираются многие авторы при расчетах воздухообмена. Это значение фигурирует в СП 2.5.1198-03 «Санитарные правила по организации пассажирских перевозок» для железнодорожных вокзалов и СанПиН 2.5.1.051-96 «Условия труда и отдыха для летного состава гражданской авиации» для кабин воздушных судов. Зная выделение СО2 одним человеком в офисе – 18 л/ч (0,005 л/с) или 35 200 мг/ч по формуле (Л.2) СНиП 41-01-2003 требуемый расход приточного воздуха для одного человека равен

L = 35 200 / (1 958 – 589) = 25,7 м3/ч.

В единицах л/с и ppm L = х 106 = 7,14 л/с.

Первым отечественным документом, в котором предпринята попытка регламентировать содержание СО2 в наружном и внутреннем воздухе, является стандарт АВОК «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена» . В качестве рекомендуемой справочной предлагается предельно допустимая концентрация в наружном воздухе: сельская местность – 332 ppm (650 мг/м3), малые города – 409 ppm (800 мг/м3), большие города – 511 ppm (1 000 мг/м3). Верхний допустимый предел концентрации СО2 в помещениях жилых и общественных зданий не должен превышать концентрацию в наружном воздухе на 638 ppm (1 250 мг/м3). В этом случае требуемый воздухообмен на 1 человека составит 28 м3/ч.

В результате последних исследований, проведенных индийскими учеными в городе Калькутта , было выяснено, что так же, как NO2, СО2 является потенциально токсичным для человека даже в низких концентрациях, принимая во внимание его воздействие на клеточную мембрану и биохимические изменения, такие, как увеличение напряжения CO2 в крови, увеличение концентрации ионов бикарбоната в крови и моче, ацидоз и т. д. Для выявления того, как влияет уровень СО2 в воздухе на процессы в организме человека, были проведены замеры уровня бикарбоната в крови и в моче человека. Всего было исследовано 593 человек из жилого, коммерческого и промышленного районов города и контрольной зоны, находящейся в экологически чистой сельской местности. Уровень бикарбоната в сыворотке крови – биологический показатель влияния СО2 – оказался в среднем на 60 % выше у жителей Калькутты, чем у жителей сельских районов, причем самым высоким он был у жителей промышленной зоны. В городе Калькутта СО2 присутствовал в воздухе в концентрациях от 0,03 до 0,06 %. Уровень вентиляции в помещениях был адекватным почти в 75 % жилых и рабочих помещений. Принимая во внимание то, что увеличение уровня СО2 в атмосфере ведет к увеличению его концентрации в воздухе помещения, можно сказать, что он может явиться причиной увеличение уровня бикарбоната в крови.

В своих работах , английский ученый D. S. Robertson пишет, что уровень углекислого газа в атмосфере, при котором человечество может выжить, значительно ниже, чем предполагалось, поэтому безопасный для человека уровень углекислого газа требует пересмотра. Он рассчитал максимальный безопасный для человека уровень углекислого газа в атмосфере, составляющий 426 ррm. Ученый также считает, что под влиянием углекислого газа, уровень которого выше указанной цифры, происходит снижение величины pH в сыворотке крови, что ведет к ацидозу. Симптомы начальной степени ацидоза следующие: состояние перевозбуждения и умеренная гипертензия. Далее к ним добавляются сонливость и состояние беспокойства и как следствие уменьшение желания проявлять физическую активность. Существует вероятность того, что когда концентрация углекислого газа в атмосфере достигнет 426 ppm, а это может случиться раньше, чем через два поколения, здоровье, по крайней мере, некоторой части населения Земли, ухудшится.

Финские ученые под руководством Olli Seppanen провели 21 эксперимент на основе более 30 000 испытуемых по исследованию влияния концентрации углекислого газа. Если уровень углекислого газа в офисном помещении был ниже 800 ppm (0,08 % об.), такие симптомы, как воспаление глаз, заложенность носа, воспаление носоглотки, проблемы, связанные с дыхательной системой, головная боль, усталость и сложность с концентрацией внимания, которые возникали у сотрудников при более высокой концентрации СО2, значительно снижались.

В пресс-релизе ежегодной конференции Европейского респираторного общества в 2006 году были опубликованы результаты исследований, проведенных в пяти странах ЕЭС группой итальянских ученых. Исследования показали, что 68 % детей испытывают на себе негативное влияние СО2 выше уровня 1 000 ppm. У них наблюдалось тяжелое дыхание, одышка, сухой кашель и ринит чаще, чем у других детей. Были сделаны следующие выводы: у детей, находящихся в помещении с высоким уровнем СО2, в 3,5 раза выше риск возникновения сухого кашля и в 2 раза – развитие ринита. Они имеют более уязвимую носоглотку, чем их ровесники.

В исследовании корейских ученых о влиянии концентрации СО2 в помещении на приступы астмы у детей, в домах и квартирах, где живут дети больные астмой, замерялся уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха в помещении, таких как СО, NO2, аллергены и СО2. В результате данных исследований были сделаны выводы о том, что самым важным фактором, влияющим на возникновение приступов астмы у детей, является только уровень концентрации СО2.

Принимая допустимую концентрацию СО2 в наружном воздухе мегаполиса 450 ppm, а оптимальную во внутреннем воздухе 800 ppm требуемый воздухообмен на 1 человека составит

L = 106 = 14,29
л/с = 51,4 м3/ч.

Реально концентрация в наружном воздухе может быть еще выше, а внутри помещения могут быть другие источники выделения СО2, например при приготовлении пищи. При разности содержания СО2 в наружном и внутреннем воздухе 100 ppm требуемый воздухообмен составит 180 м3/чел., что превышает разумные пределы.

В качестве одной из мер новый американский стандарт ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2004 предусматривает динамическое изменение режимов работы вентиляции жилых и общественных зданий. Это реализуется средствами DCV (Demand-Controlled Ventilation, DCV), путем регулирования количества подаваемого свежего воздуха сверх минимально необходимого по мере изменения реально складывающейся обстановки, определяемой количеством людей, присутствующих внутри вентилируемого объема. Объективной предпосылкой к использованию в отечественной практике является значительное удешевление за последние годы инверторных схем управления скоростью вентилятора путем использования все более доступных частотно-регулируемых приводов. Технология DCV доступно рассмотрена в статье . Однако такой мерой не всегда можно добиться эффективного результата.

О другой мере по снижению содержания вредных газов в воздухе помещений П. Оле Фангер писал в своей статье : «Очистка внутреннего воздуха от газообразных загрязняющих веществ представляет собой многообещающий метод повышения качества воздуха и частичного замещения вентиляции. Разрабатываются различные методы очистки воздуха, включая сорбцию и фотокатализ. Было показано, что последний метод обладает значительной эффективностью фильтрации, которая была зафиксирована при фильтрации отдельных химических веществ, присутствующих в воздухе. Для типичной смеси из сотен химических веществ, присутствующих внутри здания в очень малых концентрациях, при использовании указанных двух методов может быть реально достижимой эффективность очистки более 80 %, то есть очистка может снизить концентрацию загрязняющих веществ и повысить качество внутреннего воздуха в пять раз. При этом очевидно, что для повышения эффективности очистки для типичных источников загрязнения внутреннего воздуха необходимы дополнительные разработки технологии очистки и проведение дальнейших исследований».

Фотокаталитическое окисление (ФКО) является очень многообещающей технологией для уменьшения летучих органических соединений (ЛОС) в воздухе помещения. Однако исследования, проведенные Национальной лабораторией Л. Беркли в 2005 и 2007 годах, показали, что метод фотокаталитического окисления уменьшает количество ЛОС в воздухе помещения, но производит формальдегид как побочный продукт. Ученые считают, что для применения данного метода необходимо провести дальнейшее изучение, с тем чтобы либо уменьшить количество формальдегидов и ацетальдегидов, получаемых в результате реакции, либо соединить эту технологию с применением газоочистителей, для того чтобы улавливать токсичные побочные продукты до того, как они попадут в помещение. К этому необходимо добавить, что ФКО не удаляет углекислый газ, а наоборот – добавляет его в помещение, так как конечными продуктами реакции должны быть СО2 и вода.

В настоящее время наиболее безопасными для очистки воздуха от газов в помещениях, где находятся люди, можно считать фильтры, основанные на методе адсорбции загрязняющих веществ в составе приточных вентиляционных установок. В качестве фильтрующего элемента используют активированный уголь и высокоэффективные материалы. Такие фильтры уже предлагаются на климатическом рынке.

Если возможность поддержания качества воздуха на высоком уровне при помощи вентиляционных систем не представляется возможным, можно удалять его избыток бытовыми адсорберами углекислого газа.

1.
Углекислый газ является токсичным для человека даже в относительно низких концентрациях. Его нельзя рассматривать только как индикатор эффективности вентиляции. Наилучшим для человека в помещении является уровень углекислого газа, максимально приближенный к атмосферному.

2. Концентрация СО2 требует постоянного контроля в помещениях с пребыванием людей в промышленных городах и крупных мегаполисах, где промышленность и транспорт постоянно загрязняют атмосферный воздух углекислым и другими газами. Особенно это касается детских учреждений и других общественных зданий.

3.
Рост углекислого газа в атмосфере, особенно в крупных городах из-за выбросов автотранспорта, предприятий энергетики и промышленности, вызывает необходимость в увеличении воздухообмена в помещениях с пребыванием людей. Это приводит к повышенным затратам энергии и увеличению выбросов СО2 при ее выработке. Выход из ситуации заключается в достижении разумного оптимума между количеством приточного наружного воздуха и требуемой очисткой от углекислого и других газов.

В отечественных нормативных документах при проектировании вентиляции в помещениях с пребыванием людей СО2 учитывался только косвенно в удельных нормах воздухообмена.

В зарубежных стандартах его концентрация в воздухе помещений служит индикатором содержания других более вредных загрязняющих веществ и соответствующей интенсивности вентиляции. Высокие концентрации углекислого и других газов в наружном воздухе больших городов приводят к необходимости выбора: либо интенсифицировать воздухообмен, вызывая цепную реакцию увеличения потребления энергоресурсов путем сжигания органического топлива с дополнительным загрязнением атмосферы (в том числе СО 2), либо производить очистку приточного воздуха от газов. Это соответствует последним исследованиям ученых о вреде двуокиси углерода для здоровья людей при повышении концентрации в два-три раза по сравнению с чистым атмосферным воздухом.

Углекислый газ относительно безвредный газ по ГОСТ 12.1.007-76 относится к 4 классу опасности, он содержится в небольших количествах в составе чистого атмосферного воздуха. По данным большинства источников, его концентрация составляет примерно 0,03 % от объема (об.), то есть в 1 м 3 содержится 0,3 л, или 0,3/22,4 = 0,01339 моль (по данным БСЭ — 0,0314 % об.). Зная молекулярную массу диоксида азота 44 г/моль, легко определить его массу в 1 м 3 , а именно: 44 х 0,01339 = 0,589 г. Концентрация, соответственно, равна 589 мг/м 3 . В таких количествах углекислый газ необходим для жизнедеятельности человека. По ГОСТ 8050-85 «Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия» плотность газообразной двуокиси углерода составляет 1,839 кг/м 3 , то есть примерно в 1,5 раза больше воздуха. Как в отечественных нормативных документах, так и в зарубежных отсутствует норматив предельно допустимой концентрации углекислого газа в атмосферном воздухе. Очевидно, что содержание в воздухе СО2 будет различным в сельской местности, небольших и крупных городах. Фоновые концентрации определяются выбросами автотранспорта, сжиганием топлива на предприятиях теплоэнергетики и работой промышленных предприятий. Затруднение заключается в том, что мониторинг за уровнем СО 2 службами Центра по гидрометеорологии не ведется. За рубежом углекислый газ, наряду с окислами азота, оксидом углерода, диоксидом серы и летучими органическими соединениями, является типичным загрязняющим веществом, которое подлежит учету при оценке наружного воздуха для проектирования систем вентиляции и кондиционирования. Европейский стандарт ЕН 13779 " Ventilation for -residential buildings — Performance requirements for ventilation and room - conditioning systems "" в качестве общего базового руководства предлагает принимать концентрацию углекислого газа в сельской местности 350 ppm , в небольших городах 400 ppm , в центрах городов 450 ppm . На самом деле она может быть существенно выше. Например, Центре Санкт-Петербурга при достаточно интенсивном движении транспорта уровень СО 2 может поднимался до 900 ppm (0,09 % об.). Погуляв несколько часов эту концентрацию и без приборов ощутит на себе каждый в виде головной боли.

Первым отечественным документом, в котором предпринята попытка регламентировать содержание СО 2 в наружном и внутреннем воздухе, является стандарт АВОК «Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена». В качестве рекомендуемой справочной предлагается предельно допустимая концентрация в наружном воздухе: сельская местность — 332 ppm (650 мг/м 3), малые города — 409 ppm (800 мг/м 3), большие города — 511 ppm (1 000 мг/м 3). Верхний допустимый предел концентрации СО 2 в помещениях жилых и общественных зданий не должен превышать концентрацию в наружном воздухе на 638 ppm (1250 мг/м 3). В этом случае требуемый воздухообмен на 1 человека составит 28 м 3 /ч.

Этой весной я замерял уровень СО 2 в помещениях кафедры кондиционированияпри при работающем центральном кондиционере с кратностью воздухообмена около двух. Он составил от 750 до 920 ppm . При наружной концентрации 680 ppm . Улица Ломоносова всегда достаточно загружена транспортом.

1. ГОСТ 8050-85. Двуокись углерода газообразная и жидкая. Технические условия.

2. Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings — Performance requirements for ventilation and room-conditioning systems.

3. Гигиенические нормативы ГН 2.2.5.2100-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны (дополнение № 2 к ГН 2.2.5.1313-03. Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны).

4. СанПиН 2.2.3.570-96. Гигиенические требования к предприятиям угольной промышленности и организации работ.

5. СНиП 41-01-2003. Отопление, вентиляция и кондиционирование.

6. СанПиН 2.1.2.1002-00. Санитарно-эпидемиологические требования к жилым зданиям и помещениям.

7. СП 2.5.1198-03. Санитарные правила по организации пас-сажирских перевозок.

8. АВОК СТАНДАРТ — 1 2002. Здания жилые и общественные. Нормы воздухообмена. — М.: АВОК-ПРЕСС, 2002.

9. Olli Seppanen . Энергоэффективные системы вентиляции для обеспечения качественного микроклимата помещений // АВОК. — 2000. — № 5.

10. Оле Фангер П. Качество внутреннего воздуха в зданиях, построенных в холодном климате, и его влияние на здоровье, обучение и производительность труда людей // АВОК. — 2006. — № 2.

И.В.Гурина

Современный человек почти 90% времени находится в помещении. Малышей мамы отправляют в детский сад, где группы часто бывают переполнены, школьники и студенты сидят в классах по 40 человек и больше, а взрослые проводят на рабочих местах гораздо дольше положенных восьми часов в день. Когда вы входите в помещение, где много людей, то практически всегда чувствуете, что там тяжелее дышится, чем снаружи. Хочется сказать «не хватает кислорода». Это неверно. На самом деле кислорода все еще более чем достаточно, но в помещении повысилась концентрация углекислого газа. Что происходит при этом с нашим организмом? Насколько это вредно? Современные исследования доказывают, что повышенное содержание СО 2 во вдыхаемом воздухе отрицательно влияет на кровь, слизистые оболочки, дыхательную и мочевыводящую системы, костную ткань, иммунитет и умственную деятельность человека.

Цифры

Лучше всего дышится на природе. В чистом загородном воздухе 380—400 ррm углекислого газа, то есть 0,038—0,04%. Эти концентрации оптимальны для дыхания человека

Содержание углекислого газа в атмосферном воздухе за последние 50 лет увеличилось на 20% и постоянно продолжает расти — особенно в крупных городах за счет выхлопов автомобилей и промышленных выбросов. Сегодня уровень СО 2 в воздухе большого города может быть 600 ppm (0,06%) и выше. Не будем подробно обсуждать атмосферу: для нас важно, что при этом происходит в помещениях, где мы проводим почти все время. Закрытые помещения — своего рода ловушки СО 2 . Воздух с уже повышенным или даже нормальным содержанием углекислого газа поступает через окна и вентиляцию, а потом его концентрация начинает быстро расти из-за дыхания людей, которые находятся в здании. Здесь есть отягчающие обстоятельства: принудительной вентиляции может вообще не быть или она работает плохо, а естественная не работает, поскольку пластиковые окна не пропускают воздух и они закрыты, чтобы никто не простудился.

Конечно, увеличение углекислого газа зависит от количества людей в этом помещении, от их веса и того, что они при этом делают. В тренажерном зале станет душно гораздо быстрее, чем в офисе (табл. 1).

Исследователи знают, что существует связь между концентрацией СО 2 и ощущением духоты. Человек начинает ощущать симптомы «нехватки свежего воздуха» (а на самом деле повышенной концентрации углекислого газа) уже при его уровне 0,08%, то есть 800 ppm. Впрочем, в современных офисах бывает и 2000 ppm СО 2 и выше. Но об этом чуть позже.

Что такое ацидоз и чем он плох

В норме кислотность (рН) крови человека равна примерно 7,4. Наш организм настроен на эту цифру, она необходима для работы всех ферментных и биологических систем организма. Логично предположить, что даже небольшие постоянные изменения кислотности крови могут оказывать очень сильное воздействие на живое существо.

Что происходит при повышении концентрации СО 2 в воздухе, который попадает в организм? Увеличивается парциальное давление СО 2 в наших альвеолах, его растворимость в крови повышается, и образуется слабая угольная кислота (СО 2 + Н 2 О = Н 2 СО 3), распадающаяся, в свою очередь, на Н + и НСО 3 - . Кровь закисляется, что по-научному и называется ацидозом. Чем выше концентрация СО 2 в воздухе, которым мы постоянно дышим, тем ниже рН крови и тем более кислую реакцию она имеет (рис. 2).

А если всю жизнь дышать воздухом, в котором много углекислого газа, ежедневно, по 20 часов и больше? При ацидозе происходят биохимические изменения в организме, если же он хронический, то, видимо, они в какой-то момент могут стать необратимыми. В какой именно — ученым еще предстоит выяснить.

За постоянство концентрации ионов водорода внутри организма отвечают его буферные системы. В частности, большую роль здесь играют почки, которые выводят избыток ненужных веществ. Кроме того, в организме есть неорганические буферы. Одни из самых важных — это бикарбонат (НСО 3 -) и фосфаты. Есть и другие, органические, например гемоглобин и белки плазмы. Но все же 53% общей буферной емкости крови приходится на систему «бикарбонат — СО 2 » (содержание бикарбоната в плазме — 24 ммоль/л).

Когда начинается ацидоз, то сначала организм защищается, повышая концентрацию бикарбоната в плазме крови, — об этом свидетельствуют многочисленные биохимические исследования. Чтобы компенсировать ацидоз, почки усиленно выделяют H + и задерживают HCO 3 - . Собственно говоря, концентрация СО 2 , при которой начинается повышение бикарбоната в крови, могла бы стать одной из научно обоснованных норм для допустимого содержания углекислого газа в помещениях. Потом включаются другие буферные системы, и вторичные биохимические реакции организма гораздо сложнее (подробно углубляться в них не будем, механизм довольно сложный). Поскольку слабые кислоты, в том числе и угольная (Н 2 СО 3), могут образовывать с ионами металлов слаборастворимые соединения (СаСО 3), то они откладываются в виде камней, прежде всего в почках. К счастью, человек проводит в душном помещении не все время, поэтому этот процесс носит обратимый характер — через какое-то время после выхода на свежий воздух карбонат кальция должен раствориться.

Сотрудник медицинской научно-исследовательской лаборатории военно-морского подводного флота США Карл Шафер исследовал, как влияют различные концентрации углекислого газа на морских свинок. Грызунов восемь недель содержали при 0,5% СО 2 (кислород был в норме — 21%), после чего у них наблюдалась значительная кальцификация почек. Она отмечалась даже после длительного воздействия на морских свинок меньших концентраций — 0,3% СО 2 (3000 ppm). Но это еще не все. Шафер и его коллеги нашли у свинок через восемь недель воздействия 1%-ного СО 2 деминерализацию костей, а также структурные изменения в легких. Исследователи расценили эти заболевания как адаптацию организма к хроническому воздействию СО 2 . Если ученые давали подопытным животным достаточно времени для восстановления (больше месяца), то эти признаки исчезали. Впрочем, исследователи сами говорят о том, что нужны дальнейшие эксперименты, чтобы установить, как повлияют на состояние млекопитающих более низкие концентрации углекислого газа и когда же изменения в их организмах станут необратимыми.

Прочие эффекты и синдром больного здания

Исследования ученых не ограничиваются ацидозом. Например, обследование 344 сотрудников 86 офисов города Тайбэй (Тайвань) показало, что уже при уровне СО 2 выше 800 ррm (0,08%) у них отмечался рост маркеров окислительного стресса, например 8-OHdG (8-гидрокси-2-дезокси-гуанозина), определяемого в моче. Содержание маркеров тем выше, чем дольше человек находится в душном помещении. Так же действуют на организм человека летучие органические соединения, причем они и углекислый газ усиливают негативное влияние друг друга.

Ученые ЕЭС проверили, как чувствуют себя школьники в помещении с концентрацией углекислого газа выше 1000 ppm, или 0,1%. (Таких классов на Западе почти две трети, причем во вполне благополучных странах — в Швеции, Норвегии, Дании, Франции.) В медико-биологических тестах оценивали респираторное и аллергическое состояние 547 школьников в возрасте от 9 до 10 лет. Оказалось, что дети, проводящие много времени в помещении с высоким уровнем СО 2 , в 3,5 раза чаще имеют сухой кашель и в два раза больше болеют ринитом.

Корейские ученые также исследовали влияние СО 2 на астматиков. Выборка — 181 ребенок моложе 14 лет из 110 домов и квартир Сеула. В помещениях замеряли уровень содержания веществ, которые считаются основными загрязнителями воздуха: СО, NO, аллергены клещей домашней пыли, тараканов, споры грибков плесени и СО 2 . Ученые сделали вывод, что только повышенные концентрации СО 2 учащали приступы астмы у детей. Кстати, респираторные инфекции и астма считаются основными заболеваниями школьников.

Если мы вспомним первичные признаки ацидоза, то поймем, почему вялые и сонливые школьники плохо воспринимают новый материал. Проблема повышенного уровня СО 2 характерна и для детских садов, причем особенно для спален. Бедные дети... К счастью, у школьников каждые 45 минут бывает перемена, на время которой их выгоняют из класса, а тихий час с закрытыми окнами — тоже не очень длинный.

Куда же деться взрослым? Во многих учреждениях очень плохо работает принудительная вентиляция — именно здесь причина зашкаливания СО 2 . Мы уже говорили, что пластиковые окна хорошо изолируют тепло и звук, однако начисто лишают помещение естественной вентиляции, превращая его в большой целлофановый пакет. Уровень углекислого газа в таком «пакете» очень быстро нарастает.

Есть здания, которые в специальной литературе называют больными, а люди, работающие там, испытывают синдром больного здания (СБЗ). У синдрома много проявлений: раздражение слизистых оболочек, сухой кашель, головная боль, снижение работоспособности, воспаление глаз, заложенность носа, сложности с концентрацией внимания. Эта проблема знакома жителям ЕЭС, США, Канады и многих других стран. Некоторые исследователи считают, что именно углекислый газ — одна из главных причин развития СБЗ и этот синдром появляется уже при его уровне свыше 800 — 1000 ppm. Почему решили, что виновник — углекислый газ? Потому, что когда в офисном помещении его концентрация опускалась ниже 800 ppm (0,08%), то и симптомы СБЗ становились слабее. Кроме того, уровень примесей, которые могли бы вызвать подобные симптомы, растет значительно медленнее, чем уровень СО 2 , поскольку люди постоянно выдыхают его.

О синдроме больного здания заговорили после того, как появились дома с хорошей теплоизоляцией и наглухо закрытыми окнами, а также с низким уровнем вентиляции из-за экономии электроэнергии. Конечно, причинами СБЗ теоретически могут быть выделения строительных и отделочных материалов, вещества, которые выделяет человеческое тело, споры плесени и т. д. Если вентиляция в помещении работает плохо, то, безусловно, концентрация этих веществ в помещении также будет расти, но медленнее, чем СО 2 . Углекислый газ выступает как тонкий индикатор — он говорит о том, что уровень вентиляции недостаточен, а значит, вырастет концентрация и других загрязняющих веществ.

Английские специалисты Мидлсекского университета (Великобритания), проведя тщательное исследование с участием 300 человек, вынесли вердикт: уровень углекислого газа в офисе не должен превышать 600—800 ppm (0,06—0,08%). Если он выше, то внимание снижается на 30%. При концентрациях СО2 более 1500 ppm 79% опрошенных испытывали чувство усталости, а более 2000 ppm — две трети испытуемых не могли сосредоточиться. У 97% сотрудников, страдающих мигренью, она появлялась уже при уровне углекислого газа 1000 ppm (0,1%).

Ученый из Великобритании Д. С. Робертсон считает, что люди начинают чувствовать ухудшение качества воздуха уже при концентрации СО2 600 ppm, а не при 800, как говорилось в начале статьи. Когда она становится еще выше, у отдельных людей появляется один или несколько классических симптомов отравления углекислотой — проблемы с дыханием, учащенный пульс, головная боль, снижение слуха, потливость, усталость, физиологические расстройства, и все они растут прямо пропорционально уровню СО 2 (табл. 2, 3). По другим данным, у 15—33% людей эти симптомы возникают при концентрации 600— 800 ppm, у 33—50% при 800-1000 ppm, и 100% будут испытывать их при концентрации 1500 ppm. Расчетная модель говорит, что для того, чтобы поддерживать в помещении СО 2 в пределах 600 ppm, в него должно подаваться принудительной вентиляцией 68 м 3 воздуха в час на одного человека.

Таблица 2. Кратковременное и длительное влияние на человека
повышенных концентраций углекислого газа

Как же понять, что это влияние именно СО 2 , а не других ядовитых продуктов, образующихся в процессе жизнедеятельности человека (в их число входят ацетон, аммиак, амины, фенолы...)? В Будапештском университете технологии и экономики разработали специальную методику, позволяющую свести к минимуму уровень загрязнения другими веществами. Подтвердилось, что виноват именно СО 2 . В исследовании приняли участие молодые и здоровые люди, средний возраст которых составлял 21 год, и, несмотря на то что эксперименты продолжались не дольше 140—210 минут (концентрации доходили до 3000 рргп), чувствовали они себя откровенно неважно. Что же говорить о сотрудниках, которые находятся в офисах по восемь-девять часов ежедневно многие месяцы и годы.

В начале 2009 года сотрудники Национальной лаборатории Лоренса Беркли (США) пытались понять, как углекислый газ в концентрациях 550, 1000 и 2500 ppm влияет на умственную деятельность и здоровье человека. Методика эксперимента была аналогична той, которую использовали венгерские ученые, однако добровольцы, участвующие в данном эксперименте, находились при заданных уровнях СО 2 ежедневно по восемь часов в течение трех месяцев. Полученные данные пока еще обрабатываются, но оптимизм внушает тот факт, что наконец-то появился четкий стандарт эксперимента.

Вот еще один важный момент: сегодня уровень концентрации СО 2 в помещении служит основным показателем качества воздуха. Он выступает как газ-индикатор, по которому можно судить не только о других загрязнителях, но и о том, насколько хорошо работает вентиляционная система в здании. Исследования в школьном классе показали, что если в воздухе присутствуют, кроме углекислого газа, летучие органические соединения и формальдегиды, то достаточно следить только за СО 2 . Если вентиляция справляется с ним, то остальные загрязнители также остаются на низком уровне. Более того, по СО 2 можно судить и о количестве бактерий в воздухе. Чем больше углекислого газа, тем хуже справляется вентиляция и тем больше в воздухе разных бактерий и грибков. Особенно отчетливо это заметно зимой, когда интенсивность вентиляции падает, а количество респираторных инфекций растет.

Скрытая проблема

Проблема углекислого газа в помещении существует во всех странах, но в России ее вроде как и нет. Строят новые здания, часто с применением современных «зеленых» технологий, старые здания модернизируют, ставят новые окна. А людям некомфортно, и население больших городов в целом более слабое и больше болеет. Врачи лечат последствия, грешат на общее загрязнение атмосферы, а жесткие нормы на содержание в помещениях углекислого газа в России отсутствуют.

Таблица 3. Как разные количества углекислого газа в воздухе влияют на человека

За последние несколько десятилетий практически не появлялись и российские исследования на эту тему. Между тем отдельные замеры в офисах Москвы показали, что в некоторых из них уровень СО 2 — 2000 ppm и выше. В 60-х годах прошлого столетия О. В. Елисеева в своей диссертации провела детальные исследования по обоснованию ПДК СО 2 в воздухе жилых и общественных зданий. Она проверила, как влияет углекислый газ в концентрациях 0,1%(1000 ррm) и 0,5% (5000 ррm) на организм человека, и пришла к выводу, что кратковременное вдыхание здоровыми людьми двуокиси углерода в этих концентрациях вызывает отчетливые сдвиги в функции внешнего дыхания, кровообращении и электрической активности головного мозга. Согласно ее рекомендациям, содержание СО 2 в воздухе жилых и общественных зданий не должно превышать 0,1% (1000 ррm), а среднее содержание СО 2 должно быть около 0,05% (500 ppm). Несмотря на то что даже кратковременное воздействие вызывало нежелательный эффект, ни ПДК, ни какие-либо другие нормативы по углекислому газу в то время в СССР не были приняты. Нет подобных норм для учебных, офисных и жилых помещений в СНиПах (строительных нормах) и СанПинах (санитарные правила и нормы).

В странах Европы, США и Канаде, как правило, нормой считается 1000 ppm (0,1%). Именно в соответствии с этими цифрами рассчитывается вентиляция зданий. Во многих школах проводится мониторинг качества воздуха по уровню углекислого газа. Конечно, не всегда и не везде этот уровень соответствует норме. Но в этом случае администрация школ обязана принять меры, чтобы улучшить положение. В Финляндии, например, школу, в классах которой обнаружен повышенный уровень углекислого газа, могут даже закрыть до тех пор, пока не будет налажена вентиляция.

Вообще, на Западе тема качества воздуха в помещении довольно популярна. Ежегодно проводятся конференции по теме «Здоровое здание» и тема вентиляции там поднимается постоянно. Кстати, о вентиляционных системах. С одной стороны, в современном мире все стараются экономить электроэнергию, с другой — нужно поддерживать хороший воздухообмен, а для этого требуется большое количество электрической энергии. В Финляндии ученые предложили удалять углекислый газ с помощью абсорберов, встроенных в вентиляционные системы. Таким образом, возможно, удастся добиться разумного баланса между экономией электроэнергии и безопасным уровнем углекислого газа в помещениях. Такие бытовые абсорберы углекислого газа для помещений уже существуют, было бы желание их применить.

В последние годы в США и в Европе появляются проекты так называемых зеленых зданий. Они построены из экологически чистых материалов и должны потреблять как можно меньше электроэнергии или обеспечивать ею себя сами. Все бы хорошо, но это неизбежно приводит к экономии именно на вентиляции. В декабре 2008 года английская газета «Дейли мейл» рассказала о том, как профессор Дерек Клементс-Крум исследовал несколько школ, пытавшихся воплотить в жизнь идею экологичного здания с минимальным потреблением энергии. В этих школах профессор зафиксировал очень высокий уровень СО 2 в классах. В результате у детей был заторможен мыслительный процесс, они были вялыми и не могли нормально учиться.

Появилась информация о том, что на северо-востоке Москвы также будет построен первый «зеленый» высотный административно-жилой комплекс «Кристалл» (187 тыс. м 2). Если учесть, что с проблемой углекислого газа в помещении в России мало кто знаком, то здоровье людей, которые будут находиться в этом здании, заранее внушает опасения.

В наших школьных классах принудительная вентиляция практически отсутствует. Учителя должны делать «сквозное проветривание» класса во время перемены. Правда, зимой холодно, и это невозможно. Да и после проветривания уровень углекислого газа быстро вырастает в несколько раз, поэтому уже к середине урока дети не могут сосредоточиться. В современных офисных зданиях вентиляция есть, но зачастую при постройке здания рассчитывают на одно количество работников, а потом их оказывается гораздо больше. Кстати, если на улице СО 2 станет в какой-то момент очень много, то мы не сможем обойтись еще и без абсорберов углекислого газа.